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ESTUDO DE DESGASTE ABRASIVO DO MATERIAL ASTM SC 4140 APÓS
TRATAMENTO TÉRMICO PARA APLICAÇÔES EM ESCAVADEIRA DE
MINERAÇÃO
Mateus Scopel1
Reginaldo Rosso Marcello 2
Fábio Peruch³
Resumo: o elevado desgaste de material dos elementos de penetração do solo ocorre principalmente pelo desgaste abrasivo. O objetivo principal desse trabalho é analisar a resistência ao desgaste abrasivo à baixa tensão das capas de dentes das conchas de escavadeiras hidráulicas utilizadas para o carregamento de rochas. O aço ASTM SC 4140 foi adotado para a realização desse estudo por ser um aço de médio teor de carbono com adição de cromo-molibdênio que tem como finalidade melhorar suas propriedades mecânicas como capacidade de endurecimento, tenacidade, resistência ao desgaste. As amostras foram fabricadas a partir do processo de fundição em um bloco padrão conforme norma ASTM E8-13a onde posteriormente foi realizado o tratamento térmico de têmpera a uma temperatura de 859°C de patamar, seguido de quatro meios de resfriamentos. Após o processo de tratamento térmico de têmpera foi adotado as amostras resfriadas em óleo aquecido para prosseguir com o revenimento que foi realizado em três temperaturas, 350,400 e 450°C. Os ensaios de dureza mostram que com o aumento da temperatura de revenido ocorre uma queda substancial da dureza e de seu limite de escoamento devido à mudança na sua microestrutura, os ensaios de desgaste mostram que a amostra revenida a 350°C foi a que teve a menor perda de volume associado a uma maior dureza decorrente de sua microestrutura.
Palavras-chave: ASTM SC 4140. Desgaste abrasivo. Têmpera e revenimento.
1. INTRODUÇÃO
A mineração no Brasil é responsável por quase 5 % do PIB nacional,
oferecendo produtos para variado tipos de indústrias tais como, siderúrgicas
fertilizantes, petroquímicas e metalúrgicas (VALE, 2017).
As rochas são amplamente utilizadas nas construções em obras de
engenharia e na indústria. Podendo ser utilizada para confecção de concreto,
1 Mateus Scopel. E-mail: mateus__scopel@hotmail.com.br
2 Prof.Me. Reginaldo Rosso Marcello. E-mail: Reginaldo.marcello@satc.com.br
³ Prof. Me. Fabio Peruch. E-mail: Fabio.peruch@satc.edu.br
2
proteção de taludes de barragens, pedra britada para leito de ferrovias, rodovias e
aeroportos (CHIOSSI, 2013).
A utilização de equipamentos rodoviários para escavação e transporte
está crescendo cada vez mais, devido à necessidade de se escavar e deslocar
grandes quantidades de materiais e um menor tempo.
Um dos elementos de maior desgaste dos equipamentos de construção e
mineração são as ferramentas de penetração no solo, que estão entre elas os
dentes, pontas, cantos, entre outros.
A Fig. 1 apresenta os principais componentes de uma cocha de
escavadeira hidráulica.
Figura 1: Concha Escavadeira.
Fonte: Adaptado de Única tratora (2019)
Observando a Fig. 1, pode-se verificar que as capas dos dentes e os
cantos são os principais elementos que estão sujeitos a severos desgastes
abrasivos por estarem constantemente em contato com o solo durante a escavação.
O elevado desgaste de material dos elementos de penetração do solo de
equipamentos rodoviários ocorre principalmente, pelo tipo de terreno, mineral
presente, resistência litológica. A vida útil e os rendimentos desses elementos estão
Capa dos Dentes
Cantos
Caçamba
3
diretamente relacionados à composição da liga constituinte do material utilizado e
dos processos de tratamento térmico que foram aplicados na fabricação do material.
Já se tratando de elementos de penetração no solo a perda de massa
desses elementos é provocada quase que exclusivamente pelo desgaste abrasivo,
que é provocado pelo próprio material ou carga que o equipamento será solicitado,
pelo contato com esse material e pelo movimento relativo entre as partes envolvidas
no sistema.
Devido à alta taxa de desgaste e a reposição constante destes itens o uso
de ferramentas de penetração de baixa qualidade pode acarretar ao longo do tempo,
grandes prejuízo para a empresa.
Os dentes da concha de escavadeiras hidráulicas que atuam em
mineração estão constantemente em contato com o solo abrasivo, gerando assim
desgastes significativos e com elevados custos de manutenção (ALBERTIN, 2003).
A Fig. 2 mostra uma capa de dente antes do desgaste (a) e outra após o desgaste
(b).
Figura 2: a) Capa do dente sem desgaste, b) Capa do dente após desgaste.
Fonte: do autor (2019)
b) a)
4
Empresa de britagem de rocha situada em Nova Veneza trabalha
diariamente com uma escavadeira hidráulica Caterpillar 315DL para fazer o
carregamento das rochas em caminhões.
Por ser um material de alta abrasão, as capas dos dentes duram em
média 140 horas de trabalho, sendo que cada troca se faz necessário à substituição
das seis capas do dente que compõe a concha e seus elementos de fixação.
As vantagens proporcionadas por esse estudo podem identificar qual o
melhor meio de resfriamento de têmpera, e temperatura de revenimento do material
ASTM SC 4140 para melhorar as características do material a ser utilizado para esta
finalidade, podendo assim, aumentar a vida útil desse componente.
O estudo tem como principal objetivo avaliar a resistência ao desgaste
abrasivo dos corpos de prova através do ensaio de roda de borracha seca conforme
a norma ASTM G65 - 00. Estas análises serão efetuadas após os copos de prova do
material SC 4140, serem tratado termicamente pelo processo de têmpera e
posteriormente de revenimento em diferentes temperaturas.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 DESGASTE
Segundo Hawk (1999), o desgaste é um dos maiores problemas que
ocorrem em escavações, movimentações de terra, minerações e processamento de
minerais, podendo ocorrer em uma variedade de equipamentos como dentes
excavadores e lâminas de escoamento. O desgaste das peças, somado com o custo
de reparo significam elevados gastos para as empresas.
De acordo com Baptista, Nascimento (1999), a resistência ao desgaste é
considerada como parte de um sistema tribológico sendo que os principais
parâmetros que influenciam na taxa de desgaste, inclui as caracteristicas de
projetos, conciçoes de operação, tipo de abrasivo e propriedades do material.
Nas indústrias, o desgaste abrasivo é o que apresenta a maior perda
dentre as outras formas de desgastes, gerando prejuizos significativos, fatores que
evidenciam essa observação é a contaminação por particulas abrasivas em
equipamentos mecânicos que estão relacionados a movimentação de minerais.
5
Segundo Tassi (2010), os mecanismos de desgaste pode ser divididos
em quatro grupos distintos: adesão, fadiga de contato, reação triboquímica e
abrasão, sendo o foco deste estudo o desgaste abrasivo.
A Fig. 3 mostra esquematicamente esses principais tipos de desgastes.
Figura 3: Mecanismos de Desgaste
Fonte: Adaptado Koning (2007)
Segundo, Souza, (2002) apud Portela, (2008), abrasão a dois corpos é
quando uma ou mais partículas de elevada dureza são atritadas contra uma
superfície, sulcando-a devido a força normal aplicada. Já a abrasão a três corpos se
dá quando particulas ficam aprisionadas entre duas superfÍcies que deslizam entre
si, estando livre para se movimentar. A Fig. 4 mostra esquematicamente esses dois
tipos.
Figura 4: Classificação do desgaste abrasivo: (a) abrasão entre
dois corpos, (b) abrasão entre três corpos.
Fonte: Adaptado Koning (2007)
6
2.2 AÇO CARBONO E AÇO LIGA
De acorco com Pannoni (2005) os aços podem ser classificados conforme
uma distinção entre aço carbono e aços ligados. Aço-carbono é uma liga Ferro-
Carbono contendo geralmente de 0,008% até 2,11% de carbono, além de certos
elementos residuais resultantes do processo de fabricação.
O aço carbono pode ainda ser divididos em três categorias: baixo (<
0,3%), médio (> 0,3 a < 0,7%) e alto (> 0,7%) teor de carbono.
Visando melhorar as propriedades mecânica dos aços carbono, podem
ser adicionados outros elementos na sua composição, tais como: cromo,
molibidênio, níquel, boro, manganês, titânio, entre outros. Sendo assim
caracterizados como aços ligados. (SOUZA, 2008).
O aço SAE 4140 é um aço ligado ao cromo-molibdênio. O cromo tem
como finalidade melhorar a resistência, a ductilidade, tenacidade, resistência ao
desgaste e a capacidade de ser endurecido. O molibdênio, em combinação com o
cromo, reduz fragilidade, acrescenta dureza e aumenta a tenacidade (CASTRO,
2013).
A Tab. 1 apresenta a composição química do aço SC 4140, de acordo
com a norma ASTM A 958.
Tabela 1: Composição química do aço ASTM SC 4140 em (%):
C Mn Pmáx Smáx Si Cr Mo
0,38/0,43 0,70/1,10 0,035 0,04 0,30/0,60 0,80/1,10 0,15/0,25
Fonte: ASTM A 958 (2000).
2.3 TRATAMENTO TÉRMICO
Tratamento térmico são operações de aquecimento e resfriamentos, sob
condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de
resfriamento, e tem como principal objetivo alterar as propriedades dos aços para
adquerir características determinadas ( BAPTISTA, NASCIMENTO, 1999).
Os principais tratamentos térmicos citados por Costa e Silva, (1988) são
recozimento, normalização, têmpera, revenimento. Onde os três primeiros envolve a
7
transformação de fase a partir da austenita podendo assim obter desde o máximo de
dutilidade e mínimo de dureza, características das estruturas ferríticas, ate elevados
valores de dureza e menor dutilidade associados á martensita.
De acordo com Chiaverini, (2005) os principais objetivos dos tratamentos
térmicos são: remoção de tensão, aumento ou diminuição da dureza, aumento da
resistência mecânica, melhora na ductibilidade e melhora na resistência ao
desgaste.
2.4 TRATAMENTO DE TÊMPERA
Uma das principais características dos aços como materiais de
construção mecânica, é a possibilidade de desenvolver combinações entre
resistência e tenacidade. A têmpera consiste em aquecer o aço, até ele atingir a
temperatura de austenitização seguindo de um resfriamento em uma velocidade
suficientemente rápida para evitar transformações perlíticas e bainíticas na peça,
visando obter estrutura martensítica (COSTA e SILVA, 1988).
Segundo Chiaverini, (2005), os meios de resfriamento utilizados
dependem de endurecibilidade dos aços como teor de carbono, elementos de liga,
da forma e dimensão da peça a ser submetida a têmpera, onde os meios mais
utilizados para o resfriamento são: óleo, água e ar.
2.5 TRATAMENTO DE REVENIMENTO
O revenimento é um tratamento térmico que geralmente acompanha a
têmpera, eliminando assim os maiores incovenientes produzidos na mesma. Além
disso, elimina e remove tensões internas, corrige exessivas durezas e fragilidade do
material visando aumentar sua ductilidade e resistência ao choque (CHIAVERINI,
2005).
Costa e Silva, (1988), ressalta, que este procedimento consiste em
aquecer uniformemente até uma temperatura abaixo da austenitização, mantendo
nesta temperatura por um tempo para a equalização da temperatura em toda
extensão da peça, para obtensão das propriedades desejadas.
8
2.6 MÓDULO DE RESILIÊNCIA
Resiliência é a quantidade de energia que o material consegue absorver
no regime elástico, devolvendo totalmente no descarregamento. O módulo de
resiliência é definido como a energia de deformação absorvida por unidade de
volume ate seu limite de proporcionalidade, sendo acrescentados 0,002 mm/mm
paralelo com seu eixo. Segundo Callister (1999), o módulo de resiliência Ur pode ser
calculado como:
𝑈𝑟 =𝜎𝑒∗𝜀
2 [𝑁 ∗
𝑚𝑚
𝑚𝑚3] (1)
Onde:
Ur = Módulo de Resiliência [N.mm/mm³]
σe = Limite de Escoamento [MPa]
Ԑ = Deformação Elástica [mm/mm]
Figura 5: Gráfico resiliência.
Fonte: adaptado Callister (2007)
A resiliência é representada pela sua capacidade de absorver energia
sem que sofra qualquer dano permanente.
9
2.7 MÓDULO DE TENACIDADE
Tenacidade é a energia mecânica nescessária para levar um material a
ruptura, segundo Souza (1992), o módulo de tenacidade pode ser calculado através
da Eq. (2). Que é representado pela área sob a curva tensão deformação ate o
ponto de fratura.
𝑈𝑡 =(𝜎𝑟+ 𝜎𝑒)
2∗ 𝜀𝑓 [𝑁 ∗
𝑚𝑚
𝑚𝑚3] (2)
Onde:
Ut = Módulo de Tenacidade [N.mm/mm³]
σr = Limite de Resistência [MPa]
σe = Limite de Escoamento [MPa]
Ԑf = Deformação Real [mm/mm]
Figura 6: Gráfico tenacidade.
Fonte: adaptado Callister (2007)
Tenacidade é representada pela capacidade de absorver energia na sua
deformação plástica.
10
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O fluxograma Fig. 7 a seguir mostra a sequência dos procedimentos
experimentais a serem realizados neste trabalho.
Figura 7: Fluxograma das etapas realizadas no trabalho.
Fonte: do autor (2019)
11
3.1 ESTUDO DO MATERIAL UTILIZADO
Para que fosse definido o material a ser estudado, foram coletadas
informações do material que está sendo utilizado hoje para a fabricação das capas
de dente. Foram realizados testes em laboratório como, composição química,
metalografia, dureza e desgaste em roda de borracha.
3.2 DEFINIÇÃO DO MATERIAL
Para a fabricação dos corpos de prova foram levados em consideração
aços de médio carbono e alta temperabilidade, decidindo-se assim, fabricar os
corpos de prova com o aço ASTM SC 4140. O aço ASTM SC 4140, conhecido como
aço-cromo-molibdênio, com boa resistência a torção e fadiga, podendo ser utilizadas
em peças que exigem elevada dureza, resistência e tenacidade.
3.3 CORPOS DE PROVA
Para a fabricação dos corpos de prova, foram fundidos blocos padrões
seguindo a norma ASTM E8-13a, com o objetivo de se obter um menor número de
impurezas nos corpos de prova, após a fabricação dos blocos a parte útil foi cortada.
A Fig. 8 mostra o bloco após a fundição.
Figura 8: a) Bloco padrão após o corte, b) Parte útil após o corte.
Fonte: do autor (2019)
a) b)
12
Após o corte da parte útil do bloco padrão, foram usinados os corpos de
prova de ensaio de tração e para o ensaio de desgaste em roda de borracha.
3.4 TÊMPERA E REVENIMENTO
Para realizar o processo de têmpera, foi necessário determinar as
temperaturas de austenitização, foram utilizadas as equações Eq. (3) e Eq. (4), que
definem as linhas Ac1 e Ac3 que leva em consideração a composição química do
material para determinar a temperatura de austenitização. (PERUCH, 2009)
𝐴c1=723−20,7(%𝑀𝑛)−16,9(%𝑁𝑖)+29,1(%𝑆𝑖)−16,9(%𝐶𝑟)±11,5°𝐶 (3)
𝐴c3=910−203√%𝐶−15,2(%𝑁𝑖)+44,7(%𝑆𝑖)+104(%𝑉)+31,5(%𝑀𝑜)±16,7°𝐶 (4)
De acordo com Krelling (2018), o aquecimento de austenitização dos aços
hipoeutetóides deve ser de 50°C acima da temperatura encontrada na linha Ac3,
pois abaixo da linha Ac3 a ferrita não se transforma totalmente em austenita
podendo ocasionar a diminuição da dureza após a têmpera.
Com a utilização das Eq. (3) e (4) Metals handbook (1994), é
acrescentado 50°C acima da linha Ac3 encontrou-se uma temperatura de 859°C.
Para a realização da têmpera os corpos de prova foram aquecidos em um
forno tipo mufla, a uma taxa de 15°C/min até a temperatura de 859°C e mantido a
essa temperatura por 40 minutos, logo após, foram utilizado quatro meios de
resfriamentos, água temperatura ambiente, água temperatura aquecida a 80°C, óleo
temperatura ambiente e óleo aquecido a 80°C.
Analisando os resultados dos ensaios de tração dos corpos de prova
temperados, foi adotado o resfriamento a óleo aquecido, para que fossem
prosseguidos os tratamentos de revenimento.
Para realizar o tratamento térmico de revenimento foi utilizado um forno
do tipo mufla Jung modelo 2513 onde foram realizados os revenimentos nas
seguintes temperaturas: 350°C, 400°C e 450°C.
13
Foi utilizada uma rampa de aquecimento configurada linearmente a uma
taxa de 15°C/min ate atingirem a temperatura programada, após atingirem a
temperatura, ficaram mantidos por mais 40 minutos.
O meio de resfriamento foi à temperatura ambiente para todas as
amostras. Os tratamentos térmicos foram realizados no LAMEF- laboratório de
metalurgia da engenharia mecânica da Faculdade SATC.
3.5 ENSAIO DE TRAÇÃO
Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina de ensaio
universal EMIC modelo DL 10000 e softwareTesc, com capacidade de 100 KN e
com velocidade de avanço de 5 mm/min.
As dimensões utilizados para a usinagem dos corpos de prova foram conforme
norma ASTM E8.
Figura 9: Desenho corpo de prova ensaio de tração.
Fonte: adaptado ASTM E8-13a (2013)
Tabela 2: Dimensões corpo de prova de ensaio de tração.
A D R
Dimensões (mm) 36 8 6,5
Fonte: ASTM E8-13a (2013)
O fator de correção utilizado na montagem dos gráficos se deu com as
medidas obtidas pelo software e com as medidas reais do corpo de prova, como
forma de corrigir possíveis deslizes do corpo de prova com as garras de fixação.
14
3.6 METALOGRAFIA E COMPOSIÇÃO QUÍMICA
Para realizar a caracterização da metalografia, foram adotados os
padrões da norma ASTM E7-92b. Os corpos de prova foram submetidos pela
preparação metalográfica que são divididas em quatro etapas: corte da seção,
lixamento, polimento e analise microestrutural.
Após o corte das amostras dos corpos de prova foi realizado o lixamento.
A granulometria das lixas utilizadas foram as seguintes: 80, 120, 220, 320, 400, 600
e 1200 Mesh. Para fazer um correto processo de lixamento, a cada troca de lixa, as
amostras foram posicionadas a 90° dos riscos da lixa anterior.
O polimento é necessário para retirar os riscos deixados pela última lixa
de 1200 Mesh, sendo utilizada uma politriz com solução de 12% de alumina para
posteriormente realizar o ensaio metalográfico.
Na caracterização microestrutural utilizou-se um microscópio ótico
Olympus BX51M onde se pode observar a microestrutura. Os ensaios foram
realizados no laboratório de caracterização microestrutural LACAMI, da Faculdade
SATC.
A composição química foi realizada como um espectrômetro de massa
modelo SPECTROMAX.
3.7 ENSAIO DE DUREZA
Para realizar as medições de dureza, foi utilizado um durometro Mitutoyo
HR-400, Fig.10 onde a escala de medição utilizada foi Rockwell C (HRc), onde
utiliza um penetrador em cone de diamante de 120° e uma força de endentação com
150N.
Os ensaios foram realizados no laboratório de caracterização
microestrutural LACAMI, da faculdade SATC.
3.8 ENSAIO DE DESGASTE
Para o ensaio de desgaste foi utilizado um tribômetro do tipo roda de
borracha (areia seca), adotando-se o procedimento A, de acordo com o material
15
utilizado e seguindo os padrões da ASTM G65 - 00, a Fig. 10 ilustra o esquema do
tribômetro utilizado.
Figura 10: Esquema Ensaio Roda de Borracha.
Fonte: Adaptado ASTM G65 (2000)
Foram fabricados corpos de prova com dimensões: comprimento de 2”
largura de 1” e espessura de 1/2”, antes de realizar o ensaio foi verificado a
rugosidade superficial, para que a mesma estivesse abaixo do recomendado pela
norma.
A areia utilizada como abrasivo no ensaio foi aquecida em forno a uma
temperatura de 220ºC durante 60 minutos para retirar toda a umidade presente, e
sua granulometria foi reduzida a 0,35 mm com a utilização de peneiras.
A Tab. 3 a seguir, mostra os parâmetros utilizados nos testes.
Fluxo de areia (g/min)
Tempo de ensaio (min)
Abrasão linear (m)
Rotação (rpm)
Força normal (N)
300-400 30 4309 200 130
Fonte: adaptado ASTM G65 (2000).
Antes de iniciar o ensaio foi pesado o corpo de prova em uma balança de
precisão em milésimos, e depois do ensaio, foi pesado novamente para se obter a
perda de massa do corpo de prova. Para se obter a perda de volume foi utilizado a
Eq. (5) segundo norma ASTM G65 - 00.
16
𝑽 =(𝑴𝒊−𝑴𝒇)
𝝆∗ 𝟏𝟎𝟎𝟎 [𝒎𝒎³] (5)
Onde:
V = Volume [mm³]
Mi = Massa Inicial [g]
Mf = Massa Final [g]
Ρ = Densidade [g/cm³]
Após ser calculado a perda de volume foi utilizado a equação de Archad
adaptada Eq. (6), para se obter o coeficiente de desgaste K.
𝑲 =𝑽
𝑵∗𝑳 [
𝒎𝒎²
𝑵] (6)
Onde:
K = Coeficiente de desgaste [mm²/N]
V = Volume [mm³]
N = Carga aplicada [N]
L = Distância percorrida [mm]
Os ensaios foram realizados no Laboratório Vibrações e Tribologia –
LAVITRI do departamento da engenharia mecânica da Faculdade SATC.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 RESULTADOS DA AMOSTRA
Para realizar a caracterização do material utilizado atualmente foi realizada a
composição química, mostrado como resultado a Tab. 4.
Tabela 4: Composição química da capa de dente usada atualmente em (%):
C Mn P S Si Cr Mo
0,24 1,19 0,015 0,008 0,43 0,85 0,17
Fonte: do autor (2019).
17
Comparando a composição química obtida com a classificação dos aços o
material que mais se assemelha foi o aço SC 4320.
Também foi realizado a medição de dureza em três pontos, obtendo uma
média de 41 HRc. Posteriormente foi realizado o ensaio de desgaste em roda de
borracha onde os resultados serão mostrados nos comparativos de desgaste.
A Fig. 11 mostra a metalografia realizada na amostra da capa de dente que é
utilizada atualmente.
Figura 11: Microestrutura da capa de dente atual.
Fonte: do autor (2019).
4.2 COMPOSIÇÃO QUÍMICA BLOCO PADRÃO
Após a realização da composição química do bloco padrão, obtiveram-se os resultados mostrados na Tab. 5.
Tabela 5: Composição química do bloco padrão em (%):
C Mn P S Si Cr Mo
0,42 0,95 0,026 0,019 0,60 0,95 0,20
Fonte: do autor (2019).
Avaliando a composição química do material após ser fundido, verificou-se
que a composição esta dentro do limite estabelecido pela norma A 958, podendo ser
prosseguido os demais ensaios.
Bainita
18
4.3 ENSAIO DE TRAÇÃO
Foram realizados ensaios de tração no material normalizado e também em
quatro tipos de resfriamentos de têmpera, água temperatura ambiente, água
aquecida a 80°C, óleo temperatura ambiente e óleo aquecido a 80°C, onde os
resultados podem ser observados na Fig. 12.
Figura 12: Gráfico - Tensão x Deformação após a têmpera.
Fonte: do autor (2019)
Observando os resultados, os resfriamentos realizados em água na
temperatura ambiente e água aquecida, tornaram o material muito frágil,
apresentando trincas em alguns corpos de prova, como mostra a Fig.13.
Os resultados obtidos no gráfico tensão versus deformação da Fig. 12,
indica que os corpos de provas que foram resfriados em água podem ter sofrido
influências de possíveis trincas internas.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2
Ten
são
σ (
MP
a)
Deformação específica εz (mm/mm)
Normalizado
Água Aquecida
Óleo
Óleo Aquecido
Água
19
Figura 13: Corpo de prova resfriado em água.
Fonte: do autor (2019)
O meio de resfriamento que obteve maior tensão e também uma maior
deformação foi o resfriamento em óleo aquecido, sendo adotado como método de
resfriamento para se prosseguir com o tratamento térmico de revenimento.
O revenimento foi realizado em três temperaturas 350, 400, 450°C, os
resultados são mostrados na Fig. 14 a seguir. Após a realização dos ensaios foi
obtida curva característica tensão versus deformação para cada temperatura de
revenimento.
Figura 14: Gráfico - tensão deformação após revenimento.
Fonte: do autor (2019)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12
Ten
são
σ (
MP
a)
Deformação específica εz (mm/mm)
350°C
400°C
450°C
20
Pode-se observar através da Fig.14 as variações de tensão máxima e
deformação para cada temperatura de revenido, onde quanto maior a temperatura
de revenimento diminui sua tensão máxima, porem aumenta sua deformação.
Após a realização dos ensaios de tração foi calculado o módulo de resiliência
utilizando a Eq. 3 também foi calculado o módulo de resiliência utilizando a Eq. 4. A
Tab. 6 mostra os resultados obtidos através dos ensaios de tração.
Tabela 6: Resultados obtidos através o ensaio de tração.
Ensaio
Tensão Máxima σ Máx [MPa]
Tensão Escoamento
σe [MPa]
ε
[mm/mm]
εf
[mm/mm]
Ur [Nmm/mm³]
Ut [Nmm/mm³]
Revenido 350°C 1700,89 1689,32 0,039 0,039 32,94 66,11
Revenido 400°C 1480,52 1400,77 0,060 0,080 42,02 115,25
Revenido 450°C 1329,01 1285,55 0,078 0,099 50,14 129,42
Fonte: do autor (2019)
Observando a Tab. 6 pode-se destacar um aumento de 42,45% no módulo de
tenacidade entre o revenido a 350°C e o revenido a 400°C, devido à fragilidade do
material revenido a 350°C. Já entre o revenido a 400°C e o revenido a 450°C obteve
um aumento de 10,95%.
Segundo norma ASTM A 958 recomenda-se seguir os padrões da classe 90-
60 para aplicações onde se necessita de boa resistência ao desgaste, peças para
tratores, sapatas para movimentação de terra, penetradores de solo. Utilizando os
parâmetros que a norma estabelece para esta classe e utilizando a equação do
módulo de tenacidade Eq. (4) o módulo de tenacidade mínimo para esta aplicação é
de 93,15 N*mm/mm³.
4.4 METALOGRAFIA
As amostras foram analisadas na forma normalizada e temperada em óleo
aquecido, e após os revenimentos, a fim de se conhecer suas estruturas.
As Fig. 15 mostra a microestrutura do aço SC 4140 fundido (a) e normalizado
(b) após o ataque nital e ampliado 500x.
21
Figura 15: a) SC 4140 normalizado; b) SC 4140 temperado em óleo aquecido.
Ampliado 500X.
(a) (b)
Fonte: do autor (2019)
.
A microestrutura após a normalização apresenta uma estrutura ferrita e
perlita, após a têmpera em óleo aquecido, é possível identificar uma matriz de ripas
alongadas que se referem à microestrutura martensítica que é típico de materiais
com elevada dureza, porém muito frágeis.
A Fig. 16 mostra a microestrutura obtida após o revenimento em 350°C.
Figura 16: Microestrutura após revenimento 350°C. Ampliado 500X.
Fonte: do autor (2019)
Ferrita
Perlita
Martensita
Martensita revenida
22
Após o revenimento a 350°C a microestrutura apresentou martensita
revenida, porém ainda com algumas formas de ripas acicular e com formas
distorcidas. A Fig. 17 mostra a microestrutura obtida após ser realizado o
revenimento em 400°C.
Figura 17: Microestrutura após revenimento 400°C. Ampliado 500X.
Fonte: do autor (2019)
Após o revenimento a 400°C, a amostra apresenta uma microestrutura de
martensita revenida. Já a Fig.18 mostra a microestrutura obtida após ser realizado o
revenimento em 450°C.
Figura 18: Microestrutura após revenimento 450°C. Ampliado 500X.
Fonte: do autor (2019)
Martensita revenida
Martensita revenida
23
Com a temperatura de 450°C de revenimento, apresentou uma estrutura
composta de carbonetos (pontos esbranquiçados) na matriz de martensita revenida.
4.5 ENSAIO DE DUREZA
Os valores obtidos através do ensaio de dureza Rockwell C estão
representados na Tab. 7, para cada tratamento térmico estudado foram realizados
medidas de dureza com média de três medidas.
Tabela 7: Valores obtidos através do ensaio de dureza em HRc.
Endentação
ASTM SC 4140 1° 2° 3° Média Desvio padrão
Normalizado 12 12 12 12 0,07
Temp. Óleo Aquecido 56 55 56 56 0,38
350°C 49 51 52 51 0,87
400°C 47 47 48 47 0,22
450°C 44 43 45 44 0,80
Fonte: do autor (2019)
Os valores obtidos de dureza sofrem uma queda contínua com o aumento da
temperatura de revenido, devido uma transformação gradual da martensita em fases
estáveis, ferrita e cementita, que influenciam diretamente nas propriedades
mecânica do material.
4.6 COMPARATIVO DE DESGASTE ABRASIVO
A análise da resistência ao desgaste foi feita pela comparação com um
material de referência, neste caso, foi utilizado o material que é utilizado hoje na
fabricação das capas de dente. A Fig. 19 apresenta uma comparação da perda de
volume no qual os valores são obtida através da média de cada ensaio.
24
Figura 19: Ensaio comparativo de desgaste abrasivo.
Fonte: do autor (2019)
O tratamento térmico de revenimento a 350°C foi o que teve a menor perda
de volume entre todos os ensaios realizados, em comparação com a capa de dente
que é utilizada atualmente obteve uma redução de 29% na perda de volume, já o
revenimento a 400°C obteve uma redução de 21% também em relação à capa que é
utilizada atualmente.
A seguir a Tab. 8 mostras os coeficientes de desgaste, obtidos através da
equação de Archad adaptada.
Tabela 8: Coeficiente de desgaste.
Coeficiente de Desgaste K [mm²/N]
Revenido 350°C 2,39𝑥10−8
Revenido 400°C 2,66𝑥10−8
Revenido 450°C 3,07𝑥10−8
Capa atual 3,37𝑥10−8
Fonte: do autor (2019)
Analisando a Tab. 8, a capa que é utilizada atualmente pela empresa foi a
que obteve o maior coeficiente de desgaste, já o revenido a 350°C obteve o menor
coeficiente de desgaste entre os ensaios realizados, podendo assim, estar
relacionado com a microestrutura martensitica do material, pois com o aumento da
13,38
14,90
17,20 18,85
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
22,00
Pe
rda
de
Vo
lum
e (
mm
³)
Revenido 350°C
Revenido 400°C
Revenido 450°C
Capa Atual
25
temperatura desestabiliza a fase martensita com o inicio da precipitação do carbono
e crescimento excessivo do grão.
5. CONCLUSÃO
Com o desenvolvimento desse estudo, pode-se chegar a seguintes
conclusões:
No tratamento térmico de têmpera o método de resfriamento em água para o
material em estudo apresentou, em alguns casos, trincas após a têmpera
devida sua alta fragilidade no resfriamento em água, já o resfriamento em
óleo aquecido apresentou melhores propriedades dentre os meios de
resfriamentos utilizados;
O tratamento térmico de revenido aplicado no aço ASTM SC 4140
proporcionou de forma significativa mudanças na microestrutura do material.
Também com uma pequena variação da temperatura de revenido a uma
queda gradual na dureza da amostra, devido à transformação gradual da
martensita;
Nos ensaios de desgaste abrasivo se obteve uma variação de 21% na perda
de volume entre a amostra revenida a 400°C e a capa de dente que é
utilizada atualmente pela empresa, e ainda apresentando uma tenacidade
superior a que a norma indica para esta finalidade.
5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Após a conclusão deste trabalho pode-se sugerir observações para
trabalhos futuros:
Estudo da fragilidade ao revenido em baixas temperaturas;
Ensaio de impacto;
Viabilidade econômica para aplicação deste material.
26
Agradecimentos
Agradeço a minha família pelo apoio que sempre recebi, a os professores
Reginaldo Rosso Marcello e Fábio Peruch, por sua disposição e conhecimentos
passados. Também agradeço a Emerson Gonçalves por fornecer os blocos
fundidos.
6. BIBLIOGRAFIA
ASTM A 958: Standard Specification for Steel Castings, Carbon and Alloy, with Tensile Requirements, Chemical Requirements Similar to Standard Wrought Grades1. United States: ASTM, 2000. ASTM E8: Standard Test Methods for Metallic Tensile Testing1. United States: ASTM, 2013. ASTM E7 92b: Standard Terminology Relating to Metallography. United States: ASTM, 2002. ASTM G65, 2015. Standard test method for measuring abrasion using the dry sand/rubber wheel apparatus. Annual Book of ASTM Standards Volume 03.02, ASTM, Philadelphia, PA, pp. 247-259. ALBERTIN, EDUARDO. Desgaste abrasivo. Rio de Janeiro. Julho. 2003. 61 slides. Apresentação em Power-point. Baptista, A. L. DE B., Nacimento, I. DE A. DO – Revestimentos duros resistentes ao desgaste depositados por soldagem utilizados na recuperação de elementos de máquinas. Rio de Janeiro, www.spectru.com.br CALLISTER, Willian D,. 2007. Ciências e Engenharia de Materiais – Uma introdução. 7ª ed. Rio de Janeiro. Editora LTC. CASTRO, Felipe Ribeiro, 2013. Avaliação do comportamento mecânico e tenacidade a fratura do aço sae/aisi 4140 submetido a tratamento térmico criogênico. Dissertação de mestrado Univercidade Estadual do Norte Fluminense-UENF, RJ.
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CHIAVERINI, Vicente,. 2005 “Aços e Ferros Fundidos: Características gerais, tratamentos térmico”, 7ª ed. São Paulo, Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2005. P. 87 – 95. CHIAVERINI, Vicente, 1986, Tecnologia mecânica – Processos de fabricação e tratamentos. Volume II. 2ª ed. São Paulo, McGraw-Hill. CHIOSSI, N.J. Geologia Aplicada à Engenharia, 2013. Deus, Gustavo Portela, 2008, Análise e avaliação dos elementos de penetração no solo de equipamentos rodoviários após revestimento. Dissertação Mestrado - Curso de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 115p. COSTA e Silva, Andre Luiz & Mei, Paulo Roberto, Aços e ligas especiais, Editora Edgard Blucher, São Paulo, 2006. DEUS, Gustavo Portela, 2008, Análise e avaliação dos elementos de penetração no solo de equipamentos rodoviários após revestimento. Dissertação Mestrado - Curso de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 115p Hawk, J. A., Wilson,R. D., Tylczak J. H., Dogan, O. N., Laboratory abrasive wear tests: Investigation of test methods and alloy correlation, wear abrasive, Nº 225-229, 1999, pp. 1031-1042 KRELLING, A. Tratamentos Térmicos e Termoquímicos, Disponível em: http://joinville.ifsc.edu.br/~anael.krelling/T%C3%A9cnico%20em%20Mec%C3%A2nica%20Integrado/TTT/2%20%20Tratamentos%20T%C3%A9rmicos%20e%20Termoqu%C3%ADmicos.pdf. Acessado em 14 de outubro de 2019. METALS HANDBOOK. Casting, 9th ed. American Society form Metals International, 1988, p.647-685. V.15. PANNONI, Fabio Domingos. Aços Estruturais. 2005. TASSI, R. Revestimentos superficiais via PAPVD e avaliação do desempenho de bicos pulverizadores de suspensões cerâmicas. 2010. 91 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia), – Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS, Porto Alegre, 2010.
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Souza, Gisélia Alves de. Caracterização microestrutural de um aço médio carbono e baixa liga (com estrutura bainítica/martensítica) via microscopia óptica. Guaratinguetá, 2008. UNICATRATORES. Dentes para concha de escavadeiras. Disponível em: https://www.unicatratores.com.br/dentes-concha-escavadeira. Acesso em 07 de abril de 2019. VALE. Qual a importância da mineração para a economia do país? Disponivel em:http://www.vale.com/brasil/pt/aboutvale/news/paginas/qual-a-importancia-da-mineracao-para-a-economia-do-pais.aspx. Acesso em 18 de outubro de 2019.
LISTA DE SÍMBOLOS
Ur [N.mm/mm³] Módulo de Resiliência
σe [MPa] Limite de Escoamento
Ԑ [mm/mm] Deformação Elástica
Ut [N.mm/mm³] Módulo de Tenacidade
σr [MPa] Limite de Resistência
σe [MPa] Limite de Escoamento
Ԑf [mm/mm] Deformação Real
Mi [g] Massa Inicial
Mf [g] Massa Final
ρ [g/cm³] Densidade
K [mm²/N] Coeficiente de desgaste
V [mm³] Volume
N [N] Carga aplicada
L [m] Distância percorrida
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